KR20230122206A - 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 시스템은 적어도 하나 이상의 태양광 패널, 태양광 패널로부터 생성된 전력을 제공받아 이를 분배 및 제어하고, MPPT 제어를 실시하는 컨트롤러 장치, 충전 제어부와 전기적으로 연결되어, DC 전력을 공급 받는 DC 부하부, 충전 제어부와 전기적으로 연결되고, 제공 받은 전력을 저장하는 배터리부, 충전 제어부 및 배터리부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의
인버터부, 인버터부와 전기적으로 연결되고, AC 전력을 공급 받는 AC 부하부를 포함한다.
인버터부, 인버터부와 전기적으로 연결되고, AC 전력을 공급 받는 AC 부하부를 포함한다.
Description
본 발명은 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
최근 과학기술 발전에 따라 환경보호에 대한 관심이 높아지고 있다. 지금까지 무분별한 에너지 사용으로 야기된 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화 및 해수면 상승 등 다양한 환경 문제와 직접 마주하여 기존 석유 및 석탄 에너지를 대체할 신재생에너지 기술이 떠오르고 있는 것이다.
특히 태양광 에너지가 가장 각광을 받고 있는데, 태양광을 전기에너지로 변환하여 그에 따른 환경문제와 경제적 문제에 대한 일석이조의 효과를 볼 수 있기 때문이다. 이 때문에 세계 태양광 발전시장 규모는 꾸준히 성장세를 보이고 있다. 태양광에너지는 태양광(PV) 모듈과 인버터로 구성된 PV(Photovoltaic) system을 거쳐 전기에너지로 변환된다.
MPPT는(Maximum power point tracking)는 태양광 발전 인버터에 사용되는 것으로, 광전지 배열로부터 가능한 최대 전력을 얻기 위한 것이다. MPPT는 태양광 전지(solar cell)에 가변 저항과 컨버터의 역할을 해주며, 전력의 최대점을 추적하여 태양광 에너지 발전을 최적화시킬 수 있다.
일반적으로 상용화되는 MPPT 모듈은 상용되는 값이 매우 비싸고, 고전력에 치중되어 있다. 따라서, 기존의 MPPT는 태양력 자동차와 같은 구동체나 소형전력생산과 같은 특수한 목적의 장치에는 사용하기 어렵다는 문제가 있다.
종래의 MPPT 알고리즘 가운데 INC(Incremental Conductance), P&O(Perturb and Observe) 알고리즘은 고정 스텝크기와 가변 스텝크기를 이용하는 두 가지 방식으로 나뉜다. 먼저 고정 스텝크기를 이용한 P&O 및 INC는 MPPT의 정확도와 속도 사이에 trade-off가 존재한다. 즉, MPPT 정확도를 높이기 위해 고정 스텝크기를 작게 사용면 MPPT 속도가 느려지며, 고정 스텝크기를 크게 사용하면 MPPT 속도는 빨라지지만 MPPT 정확도는 낮아진다.
이러한 trade-off 문제점을 완화시키기 위해 가변 스텝크기를 이용한 P&O 및 INC 방식이 제안되었지만, 가변 스텝크기가 노이즈와 센싱 에러에 민감하여 최대전력점(MPP)에서 여전히 진동이 발생한다는 한계점을 가지고 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 지능형(intelligent) 알고리즘도 제시되었으나, 시스템의 복잡한 계산능력과 고사양의 컨트롤러가 요구되어 보다 많은 연구를 필요로 하였다.
따라서 본 발명은 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 시스템은 적어도 하나 이상의 태양광 패널, 태양광 패널로부터 생성된 전력을 제공받아 이를 분배 및 제어하고, MPPT 제어를 실시하는 컨트롤러 장치, 충전 제어부와 전기적으로 연결되어, DC 전력을 공급 받는 DC 부하부, 충전 제어부와 전기적으로 연결되고, 제공 받은 전력을 저장하는 배터리부, 충전 제어부 및 배터리부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의
인버터부, 인버터부와 전기적으로 연결되고, AC 전력을 공급 받는 AC 부하부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 배터리부는 납산 배터리, 리튬 인산철 배터리 또는 리튬이온 배터리 중 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 충전 상태 및 현재 사용 상태를 표시하는 LCD 스크린부를 더 포함 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 컨트롤러 장치는 과충전 보호 기능, 과전류 보호 기능 및 단락 보호 기능을 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 컨트롤러 장치는 온도센서를 포함하여, 열에 의한 손상을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 컨트롤러 장치는 적어도 하나 이상의 태양광 패널과 전기적으로 연결되고, 생성된 전력을 제공받아 이를 분배 및 제어하고, MPPT 제어를 실시하고, DC 전력을 공급 받아 이용하는 DC 부하부와 전기적으로 연결되고, 제공 받은 전력을 저장하는 배터리부와 전기적으로 연결되고,
배터리부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 인버터부와 전기적으로 연결된다.
일 실시예에 있어서, 배터리부는 납산 배터리, 리튬 인산철 배터리 또는 리튬이온 배터리 중 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 충전 상태 및 현재 사용 상태를 표시하는 LCD 스크린부를 더 포함 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 컨트롤러 장치는 과충전 보호 기능, 과전류 보호 기능 및 단락 보호 기능을 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 컨트롤러 장치는 온도센서를 포함하여, 열에 의한 손상을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 정확한 최대 전력 지점에서 배터리 충전을 실시할 수 있다.
또한, 과충전, 과전류, 단락 등의 보호기능을 제공하여 보다 안전한 수준의 태양광 패널로 인한 충전이 가능하다.
본 개시의 다양한 예들로부터 얻을 수 있는 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 이하의 상세한 설명을 기반으로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치의 외부 구성도이다.
도 2는 본 발명의 도1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 도1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 도1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 도1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 도1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 도1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 단지 예시로 제시하는 것이며, 본 기술 사상을 통해 구현되는 다양한 실시예가 있을 수 있다.
컨트롤러 장치의 외부 구성 및 개념
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치의 외부 구성도이다. 도 2는 본 발명의 도 1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치의 개념도이다. 도 3은 본 발명의 도 1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다. 도 4는 본 발명의 도 1의 실시예에 따른 태양광 패널의 최대 파워점 추적 기능이 장착된 컨트롤러 장치를 포함하는 시스템의 구성도이다.
태양광 패널은 비선형 특성으로 인해 최대 파워점인 최대 전력 점이 곡선위에 있다. 기존의 컨트롤러는 정확한 최대 전력 지점에서 배터리 충전이 힘들기 때문에 태양광 패널에서 사용할 수있는 최대 에너지를 얻을 수 없지만 본 MPPT (Maximum Power Point Tracking) 기술은 태양광 패널의 최대 에너지를 확보하여 배터리로 전달이 가능하다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 최대 전력점 추적(MPPT)은 조건이 변화함에 따라 에너지 추출을 최대화하기 위해 가변 전원과 함께 사용되는 기술이다. 이 기술은 광전지 (PV) 태양광 시스템에 가장 일반적으로 사용되지만 풍력 터빈, 광 전력 전송 및 열광 전지에도 사용할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면 알 수 있듯이, PV 태양광 시스템은 인버터 시스템, 외부 그리드, 배터리 뱅크 및 기타 전기 부하와 다양한 관계를 가지고 있다. MPPT가 다루는 핵심 문제는 태양 전지로부터의 전력 전달 효율이 이용 가능한 태양광의 양, 태양 전지판 온도 및 부하 의 전기적 특성에 의존한다는 것이다.
이러한 조건이 다양함에 따라 가장 높은 전력 전달을 제공하는 부하 특성이 변경된다. 부하 특성이 변할 때 시스템이 최적화되어 전력 전송을 최고 효율로 유지한다. 이 최적의 부하 특성을 최대 전력점 이라고 한다. MPPT는 조건이 변경됨에 따라 부하 특성을 조정하는 프로세스이다. 회로는 태양광 전지에 최적의 부하를 제공한 다음 다른 장치나 시스템에 맞게 전압, 전류 또는 주파수를 변환하도록 설계할 수 있다.
태양 전지 의 온도와 전체 저항 사이의 비선형 관계는 곡선 을 기반으로 분석할 수 있다. MPPT는 셀 출력을 샘플링하고 적절한 저항(부하)을 적용하여 최대 전력을 얻는다. MPPT 장치는 일반적으로 전력망, 배터리 또는 모터를 포함한 다양한 부하를 구동하기 위한 전압 또는 전류 변환, 필터링 및 조절을 제공하는 전력 변환기 시스템에 통합된다 . 태양광 인버터 는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고 MPPT를 통합할 수 있다.
기존의 태양광 인버터 는 전체 어레이에 대해 MPPT를 수행한다. 이러한 시스템에서는 인버터에 의해 지시된 동일한 전류가 스트링(직렬)의 모든 모듈을 통해 흐른다. 모듈마다 IV 곡선이 다르고 MPP가 다르기 때문에, 이 아키텍처는 일부 모듈이 MPP 미만으로 성능을 발휘하여 비용 효율성이 높다는 것을 의미한다.
대신 MPPT를 개별 모듈에 배포할 수 있으므로 고르지 않은 음영, 오염 또는 전기적 불일치에도 불구하고 각각이 최대 효율로 작동할 수 있다.
데이터에 따르면 동일한 수의 동쪽 및 서쪽을 향한 모듈이 있는 프로젝트에 대해 하나의 MPPT가 있는 하나의 인버터를 사용하는 것은 두 개의 인버터 또는 하나 이상의 MPPT가 있는 하나의 인버터를 사용하는 것과 비교할 때 아무런 불이익이 없음을 나타낸다.
배터리의 작동
도 4를 참조하면, 비충전시에는 독립형 PV 시스템이 배터리를 사용하여 부하를 공급할 수 있다. 완전히 충전된 배터리 팩 전압이 PV 패널의 MPP 전압에 가까울 수 있지만 배터리가 부분적으로 방전된 일출 시에는 그렇지 않을 수 있다. PV 패널 MPP 전압보다 상당히 낮은 전압에서 충전이 시작될 수 있으며 MPPT는 이 불일치를 해결할 수 있다.
배터리가 완전히 충전되고 PV 생산량이 로컬 부하를 초과하면 초과 전력이 이를 흡수할 부하가 없기 때문에 MPPT는 더 이상 MPP에서 패널을 작동할 수 없다. 그런 다음 MPPT는 생산량이 수요와 일치할 때까지 PV 패널 작동 지점을 피크 전력 지점에서 멀리 이동해야 한다.
그리드 연결 시스템에서는 태양광 모듈에서 전달된 모든 전력이 그리드로 전송된다. 따라서 계통 연결 시스템의 MPPT는 항상 MPP에서 작동을 시도한다.
본 컨트롤러의 알고리즘은 수시로 태양광 패널의 최대 출력 점을 비교 및 조정하여 최대 파워점을 찾는다. 본 발명은 측면 전압이 있는 독립형 태양 에너지 시스템에 적합하다.
본 발명에 적용되는 구체적인 스펙
본 발명에서 적용되는 구체적인 장치의 세부 사항은 아래와 같다. 먼저, 사용가능한 시스템 전압범위는 12V~80V 의 범위이다. 이곳에 제공되는 부하 출력은 10A/20A/30A/40A/50A/60A//80A의 부하 출력이 사용될 수 있다. 최대 3840W의 고출력 고효율의 출력이 가능하다.
별도의 진행 상황을 점검할 수 있도록 진행 데이터를 디스플레이 하는 LCD 스크린을 포함할 수 있다.
하나의 장치에서 여러개의 장비를 충전 또는 사용할 수 있도록 멀티 충전이 가능 하다.
특히 배터리부의 경우 세 종류의 배터리에 적합하다. 이것은 납산 배터리, 리튬인산철 배터리, 리튬이온 배터리를 포함한다.
이외에도 제어부는 아래와 같은 기능을 제공할 수 있다. 과충전 보호기능, 과전류 보호기능, 단락 보호기능이다. 추가적으로 온도센서가 장착되어 있어 열에 의한 손상 방지가 가능하다.
이상에서 설명된 본 발명의 일 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
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Claims (10)
- 적어도 하나 이상의 태양광 패널;
상기 태양광 패널로부터 생성된 전력을 제공받아 이를 분배 및 제어하고, MPPT 제어를 실시하는 컨트롤러 장치;
상기 충전 제어부와 전기적으로 연결되어, DC 전력을 공급 받는 DC 부하부;
상기 충전 제어부와 전기적으로 연결되고, 제공 받은 전력을 저장하는 배터리부;
상기 충전 제어부 및 상기 배터리부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 인버터부;
상기 인버터부와 전기적으로 연결되고, AC 전력을 공급 받는 AC 부하부;
를 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 배터리부는 납산 배터리, 리튬 인산철 배터리 또는 리튬이온 배터리 중 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,
충전 상태 및 현재 사용 상태를 표시하는 LCD 스크린부를 더 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 컨트롤러 장치는 과충전 보호 기능, 과전류 보호 기능 및 단락 보호 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 컨트롤러 장치는 온도센서를 포함하여, 열에 의한 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 적어도 하나 이상의 태양광 패널과 전기적으로 연결되고, 생성된 전력을 제공받아 이를 분배 및 제어하고, MPPT 제어를 실시하고,
DC 전력을 공급 받아 이용하는 DC 부하부와 전기적으로 연결되고,
제공 받은 전력을 저장하는 배터리부와 전기적으로 연결되고,
상기 배터리부와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 인버터부와 전기적으로 연결되는 컨트롤러 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 배터리부는 납산 배터리, 리튬 인산철 배터리 또는 리튬이온 배터리 중 하나인 것을 특징으로 하는 컨트롤러 장치.
- 제6항에 있어서,
충전 상태 및 현재 사용 상태를 표시하는 LCD 스크린부를 더 포함하는 컨트롤러 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 컨트롤러 장치는 과충전 보호 기능, 과전류 보호 기능 및 단락 보호 기능을 제공하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 컨트롤러 장치는 온도센서를 포함하여, 열에 의한 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 컨트롤러 장치.
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